Серед великої кількості параметрів, що характеризують метали існує і таке поняття як теплопровідність металів. Її значення важко переоцінити. Цей параметр застосовують при розрахунку деталей і вузлів. Наприклад, шестерних передач. Взагалі теплопровідністю займається цілий розділ науки під назвою термодинаміка.
теплопровідність металів
Що таке теплопровідність металів і тепловий опір
Теплопровідність металів можна охарактеризувати так – це здатність матеріалів (газ, рідина та ін.) Переносити зайву теплову енергію від розігрітих ділянок тіла до холодних. Перенесення здійснюється вільно рухаються елементарними частинками, в число яких входять атоми електрони і ін.
Сам процес теплообміну відбувається в будь-яких тілах, але спосіб перенесення енергії багато в чому залежить від агрегатного стану тіла.
Крім цього теплопровідності можна дати ще одне визначення – це кількісний параметр можливості тіла проводити теплову енергію. Якщо порівнювати теплові та електричні мережі, то це поняття аналогічно електричної провідності.
тепловий опір
Здатність фізичного тіла не допускати поширення теплового коливання молекул називають тепловим опором. До речі, деякі, щиро помиляються, плутаючи це поняття з теплопровідністю.
Що таке коефіцієнт теплопровідонсті
Коефіцієнтом теплопровідності називають величину, яка дорівнює кількості теплоти, що переноситься через одиницю поверхні за одну секунду.
Теплопровідність металу була встановлена ще в 1863 році. Саме тоді було доведено те, що за передачу теплоти відповідають вільні електрони, яких в металі безліч. Саме тому коефіцієнт теплопровідності металів значно вище, ніж у діелектричних матеріалів.
Від чого залежить показник теплопровідності
Теплопровідність – це фізична величина і здебільшого залежить від параметрів температури, тиску і типу речовини. Велика частина коефіцієнтів визначається дослідним шляхом. Для цього розроблено безліч методів. Результати зводяться в довідкові таблиці, які потім використовуються при проведенні різних наукових і інженерних розрахунків.
Тіла мають різною температурою і при тепловому обміні вона (температура) буде розподілятися нерівномірно. Іншими словами необхідно знати, як залежить коефіцієнт теплопровідності від температури.
Численні досліди показують те, що у багатьох матеріалів зв’язок між коефіцієнтом і самої теплопровідністю є лінійної.
Коефіцієнт теплопровідності
Теплопровідність металів обумовлена формою його кристалічної решітки.
Багато в чому коефіцієнт теплопровідності залежить від будови матеріалу, розмірів його пір і вологості.
Коли враховується коефіцієнт теплопровідності
Параметри теплопровідності в обов’язковому порядку враховують під час вибору матеріалів для огороджувальних конструкцій – стін, перекриттів і ін. В приміщеннях, де стіни виконані з матеріалів з високою теплопровідністю в холодну пору року буде досить прохолодно. Чи не допоможе і оздоблення приміщення. Для того, щоб цього уникнути стіни необхідно робити досить товстими. Це неодмінно спричинить підвищення витрат на матеріали та оплату праці.
Схема утеплення дерев’яного будинку
Саме тому в конструкції стін передбачено використання матеріалів з низькою теплопровідністю (мінеральна вата, пінопласт та ін.).
Показники теплопровідності для сталі
- У довідкових матеріалах по теплопровідності різних матеріалів особливе місце займають дані, представлені про сталях різних марок.
Так, в довідкових матеріалах зібрані експериментальні та розрахункові дані наступних типів сталевих сплавів:
стійких до впливу корозії, підвищеної температури; - призначених для виробництва пружин, ріжучого інструменту;
- насичених легирующими добавками.
У таблицях зведені показники, які були зібрані для сталей в температурному діапазоні від -263 до 1200 градусів.
Усереднені показники становлять для:
- вуглецевих сталей 50 – 90 Вт / (м × град);
- корозійностійких, жаро- і теплостійких сплавів, що належать до мартенситним – від 30 до 45 Вт / (м × град);
- сплавів, що належать до аустенітного від 12 до 22 Вт / (м × град).
У цих довідкових матеріалах розміщена інформація і властивості чавунів.
Коефіцієнти теплопровідності алюмінієвих, мідних і нікелевих сплавів
Під час проведення розрахунків пов’язаних з кольоровими металами і сплавами проектувальники застосовують довідкові матеріали, розміщені в спеціальних таблицях.
Таблиця теплопровідності алюмінієвих сплавів
У них представлені матеріали про теплопровідності кольорових металів і сплавів, крім цих даних вказана інформація про хімічний склад сплавів. Дослідження проводили при температурах від 0 до 600 ° С.
За інформацією зібраної в цих табличних матеріалах видно те, що до кольорових металів, які мають високу теплопровідність сплави на основі магнію і нікель. До металам, у яких низька теплопровідність відносять ніхром, інвар і деякі інші.
У більшості металів хороша теплопровідність, у одних вона більше, в інших менше. До металам з хорошою теплопровідністю відносять золото, мідь і деякі інші. До матеріалів з низькою теплопровідністю відносять олово, алюміній і ін.
Таблиця теплопровідності сплавів нікелю
Висока теплопровідність може бути і гідністю, і недоліком. Все залежить від сфери застосування. К, наприклад, висока теплопровідність хороша для кухонного посуду. Матеріали з низькою теплопровідністю застосовують для створення нероз’ємних з’єднань металевих деталей. Існують цілі сімейства сплавів, виконаних на основі олова.
Недоліки високої теплопровідності міді і її сплавів
Мідь має набагато більшу вартість, ніж алюміній або латунь. Але між тим цей матеріал має ряд недоліків, які пов’язані з його позитивними сторонами.
Висока теплопровідність цього металу змушує до створення спеціальних умов для його обробки. Тобто мідні заготовки необхідно нагрівати більш точно, ніж сталь. Крім цього часто, перед початком обробки попередній або супутній нагрів.
Не можна забувати про те, що труби, виготовлені з міді, мають на увазі те, що буде проведена ретельна теплоізоляція. Особливо це актуально для тих випадків, коли з цих труб зібрана система подачі опалення. Це значно здорожує вартість виконання монтажних робіт.
Певні труднощі виникають і при використанні газового зварювання. Для виконання роботи потрібно більш потужний інструмент. Іноді, для обробки міді товщиною в 8 – 10 мм може знадобитися використання двох, а то й трьох пальників. При цьому однією з них виконують зварювання мідної труби, а решта зайняті її підігрівом. До всього іншого робота з міддю вимагає більшої кількості витратних матеріалів.
Робота з міддю вимагає використання і спеціалізованого інструменту. Наприклад, при різанні деталей, виконаних з бронзи або латуні товщиною в 150 мм потрібно різак, який може працювати з сталлю з великою кількістю хром. Якщо його використовувати для обробки міді, то гранична товщина не буде перевищувати 50 мм.
Чи можна підвищити теплопровідність міді
Не так давно, група західних вчених провела ряд досліджень по підвищенню теплопровідності міді і її сплавів. Для роботи вони застосовували плівки, виконані з міді, з нанесеним на її поверхню тонким шаром графена. Для його нанесення використовували технологію його осадження з газу. При проведенні досліджень застосовувалося безліч приладів, які були покликані підтвердити об’єктивність отриманих результатів.
Результати досліджень показали те, що графен володіє одним з найвищих показників теплопровідності. Після того, як його нанесли на мідну підкладку, теплопровідність дещо впала. Але, при проведенні цього процесу відбувається нагрівання міді і в ній відбувається збільшення зерен, і в результаті підвищується прохідність електронів.
Графен з мідною фольгою
При нагріванні міді, але без нанесення цього матеріалу, зерна зберегли свій розмір.
Одне з призначень міді це відведення зайвого тепла з електронних і електричних схем. Використання графенового напилення ця задача буде вирішуватися значно ефективніше.
Вплив концентрації вуглецю
Сталі з малим вмістом вуглецю мають високі показники теплопровідності. Саме тому матеріали цього класу застосовують для виготовлення труб і арматури для неї. Теплопровідність сталей цього типу лежить в діапазоні 47-54 Вт / (м × К).
Значення в побуті та виробництві
Застосування теплопровідності при будівництві
У кожного матеріалу є свій показник теплопровідності. Чим її значення нижче, тим, відповідно нижче рівень теплообміну між зовнішнім і внутрішнім середовищем. Це означає те, що в будинку, спорудженому з матеріалу з низькою теплопровідністю, взимку буде тепло, а влітку прохолодно.
Теплові втрати по швах панельного будинку
При спорудженні різних будівель, в тому числі і житлові будівлі, без знань про теплопровідності будматеріалів не обійтися. При проектуванні будівельних споруд необхідно враховувати дані про властивості таких матеріалів як – бетон, скло, мінеральна вата і багатьох інших. Серед них гранична теплопровідність належить бетону, між тим, у деревини вона в 6 разів менше.
Системи опалення
Ключове завдання будь-якої опалювальної системи – це перенесення теплової енергії від теплоносія в приміщення. Для такого обігріву застосовують батареї або радіатори опалення. Вони необхідні для передачі теплової енергії в приміщення.
- Радіатор опалення – це конструкція всередині, якої переміщається теплоносій. До основних характеристик цього виробу відносять:
матеріал, з якого вона виготовлена; - вид конструкції;
- розміри, в тому числі і кількість секцій;
- показники тепловіддачі.
Саме тепловіддача і є ключовий параметр. Вся справа в тому, що визначає обсяг енергії, що передається від радіатора в приміщення. Чим більше цей показник, тим нижче будуть втрати тепла.
Існують довідкові таблиці, що визначають матеріали, оптимальні для використання в опалювальних системах. З даних, які у них розміщені, стає ясно, що найефективнішим матеріалом вважається мідь. Але, внаслідок її високої ціни і певних технологічних складнощів, пов’язаних з обробкою міді їх застосовність не така висока.
біметалічний радіатор
Саме тому все частіше застосовують моделі, виготовлені зі сталевих або алюмінієвих сплавів. Нерідко застосовують і поєднання різних матеріалів, наприклад, сталі та алюмінію.
Кожен виробник радіаторів, при маркуванні готових виробів повинен вказувати таку характеристику, як потужність теплової віддачі.
На ринку опалювальних систем можна придбати радіатори, виготовлені з чавуну, сталі, алюмінію і біметалу.
Методи вивчення параметрів теплопровідності
При проведенні вивчення параметрів теплопровідності треба пам’ятати про те, що характеристики конкретного металу або його сплавів від методу його вироблення. Наприклад, параметри металу отриманого за допомогою лиття можуть істотно відрізнятися від характеристик матеріалу виготовленого за методами порошкової металургії. Властивості сирого металу докорінно відрізняються від того, який пройшов через термічну обробку.
Термічна нестабільність, тобто перетворення окремих властивостей металу після впливу високих температур є загальним для практично всіх матеріалів. Як приклад можна навести те, що метали після тривалого впливу різних температур здатні досягти різних рівнів рекристалізації, а це відбивається на параметрах теплопровідності.
Структура сталі після термічної обробки
Можна сказати наступне – при проведенні досліджень параметрів теплопровідності необхідно використовувати зразки металів та їх сплавів в стандартному і певному технологічному стані, наприклад, після термічної обробки.
Наприклад, існують вимоги з подрібнення металу для проведення його досліджень із застосуванням способів термічного аналізу. Дійсно, така вимога існує при проведенні ряду досліджень. Буває і таке вимога – як виготовлення спеціальних пластин і багато інших.
Нетермостабільність металів ставить ряд обмежень використання теплофізичних способів дослідження. Справа в тому, що цей спосіб проведення досліджень вимагає нагрівати зразки не менше двох разів, в певному температурному інтервалі.
Один з методів називають релакціонно-динамічним. Він призначений для виконання масових вимірювань теплоємності у металів. У цьому методі фіксується перехідна крива температури зразка між його двома стаціонарними станами. Цей процес є наслідком стрибка теплової потужності, що вводиться в випробуваний зразок.
Такий метод можна назвати відносним. У ньому використовуються випробуваний і порівняльний зразки. Головне полягає в тому, що б у зразків була однакова випромінює поверхню. При проведенні досліджень температура, що впливає на зразки повинна змінюватися поступово, при цьому після досягнення заданих параметрів необхідно витримати певну кількість часу. Напрямок зміни температури і її крок повинен бути підібраний таким чином, що б зразок, призначений для випробувань, прогрівався рівномірно.
У ці моменти теплові потоки зрівняються і ставлення теплопередачі буде визначатися як різниця швидкостей коливань температури.
Іноді в процесі цих досліджень джерело непрямого підігріву досліджуваного і порівняльного зразка.
На один із зразків можуть бути створені додаткові теплові навантаження в порівнянні з другим зразком.
Який метод вимірювання теплопровідності найкраще підходить для вашого матеріалу?
Існують методи вимірювання тепловодному, такі як LFA, GHP, HFM і TCT. Вони відрізняються один від одного розмірами і геометричними параметрами зразків, що застосовуються для перевірки теплопровідності металів.
Ці скорочення можна розшифрувати як:
- GHP (метод гарячої охоронної зони);
- HFM (метод теплового потоку);
- TCT (метод гарячої дроту).
Вищевказані способи застосовують для визначення коефіцієнтів різних металів та їх сплавів. Разом з тим з використанням цих методів, займаються дослідженням інших матеріалів, наприклад, мінералокераміки або вогнетривких матеріалів.